NO851598L - Fotoelastisk sensor. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen har å gjøre med sensorer hvor den fotoelastiske effekten blir utnyttet.

Fotoelastisitet er det fenomen at belastning (eller deforma-sjon) forårsaker dobbeltbrytning i optiske transparente materialer. Mange slike materialer er isotrope når de ikke

er utsatt for belastning, men når de blir utsatt for belastning i en retning, vil det bli en forskjell i brytningsin-deksen mellom belastningsretningen og retninger som er nor-male til den. Således vil materialene vise en dobbeltbrytning som avhenger av størrelsen av den uniaksal belastning som blir påtrykt det fotoelastiske materiale. Således kan

den fotoelastiske effekten bli brukt for å detektere belastning. For å gjøre dette, blir i et kjent arrangement sirkulært polarisert kollimert lys fra en optisk kilde sendt gjennom et stykke fotoelastisk materiale som blir utsatt for belastning langs Z-aksen. Lyset som passerer gjennom en ana-lysator blir så detektert. Intensitetsvariasjonene av dette lyset er et mål for belastningen.

Slike arrangementer er beskrevet i en artikkel med tittelen "Multimode Fiber Optic Sensors" av W.B. Spillmann. Jnr.,

og D.H. McMahon, fra the Sperry Research Centre, USA, på sidene 160 - 16 3 i Proe. Optimal Fibre Sensors Conference, 26 - 28 april 1983, IEE, Savoy Place, London. Et eksempel på et fotoelastisk materiale er et glass som kan skaffes fra the Edmond Scientific Co. Et annet egnet fotoelast-

isk materiale er et Pyrex glass.

Et formål ved oppfinnelsen er å utvide brukbarheten av sensorer hvor fotoelastiske materialer blir brukt.

Ifølge oppfinnelsen er det fremskaffet en sensor som inneholder et element av et fotoelastisk materiale som kan bli utsatt for belastning i den hensikt å føle en parameter som skal overvåkes, en eller flere deler av magnetostriktivt materiele som er i forbindelse med det fotoelastiske materiale, anordninger hvorved den magnetostriktive effekten av det magnetostriktive materiale blir påvirket av den parameteren som skal overvåkes, slik at den magnetostriktive effekten forårsaker dobbeltbrytning i det fotoelastiske materiale i et omfang som tilsvarer den parameteren som skal overvåkes, måter for å rette en lysstråle gjennom elementet av fotoelastisk materiale, og anordninger for å detektere lysstrålen etter at den har passert gjennom det fotoelastiske materiale, det hele anordnet slik at lyset som blir mottatt av detektoren avhenger av størrelsen av dobbeltbrytningen og således av den parameteren som skal overvåkes•

Ifølge oppfinnelsen er det videre fremskaffet en sensor som inkluderer et element av et fotoelastisk materiale, som kan bli utsatt for belastning på grunn av et magnetisk felt hvis verdi avhenger av en parameter som skal overvåkes, en eller flere deler av magnetostriktivt materiale som samvirker med det fotoelastiske materiale, anordninger hvorved den magnetostriktive belastningen av det magnetostriktive materiale blir påvirket av det nevnte magnetiske felt, slik at den magnetostriktive effekten forårsaker dobbeltvirkning i det fotoelastiske materiale i et omfang som tilsvarer det magnetiske felt, og således den parameteren som skal overvåkes, anordninger for å rette en lysstråle gjennom element av fotoelastisk materiale, og anordninger for å detektere lysstrålen etter at den har passert gjennom det fotoelastiske materiale, det hele arrangert slik at lyset som mottas av detektoren avhenger av størrelsen av dobbeltbrytningen, og således av den parameter som skal overvåkes. Utforminger av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet med referanse til den med-følgende tegning, hvor figur 1 viser skjematisk arrangement av en sensor som bruker et fotoelastisk materiale, figur 2 viser skjematisk en utforming som det fotoelastiske materiale kan ha når det blir brukt sammen med magnetostriktivt materiale, og figur 3 og 4 er to tegninger av en miniatyrisert tykk filmsénsor som inneholder oppfinnelsen, og figur 5 er en tegning lik figur 4 av en annen

miniatyrisert sensor som inneholder oppfinnelsen.

I det arrangementet som er vist i figur 1, blir en lyskilde 1, som kunne være en laser, en lysemitterende diode, eller enden av en optisk fiber som leder lys rettet først mot en lineær polarisator 2. Etter at lyset er blitt sirkulært polarisert av den neste polarisatoren 3, passerer det gjennom en blokk eller prisme 4 av fotoelastisk materiale, for eksempel et Pyrex glass, hvorfra den når frem til en annen lineær polarisator 2. Denne andre polarisatoren er krys-set i forhold til orienteringen av den første polarisatoren 1. Etter den andre polarisatoren passerer lyset til detektoren 6.

En mulig utførelse av det fotoelastiske elementet 4 er vist mere detaljert i figur 2. Her ser man at dens sider som er parallelle med den retningen som lyset følger, er hver utstyrt med en stripe slik som 7 av magnetostriktivt materiale. Et passende materiale for dette formålet er et metallisk glass, og en typisk sammensetning av dette materialet er 80% jern og 20% bor. Et annet passende materiale for demagnetostriktive stripene er nikkel.

Hvis arrangementet blir plassert i et magnetisk felt, vil feltet via det magnetostriktive laget utsette det fotoelastiske materiale for belastning som induserer dobbeltbrytning. Således blir mengden av lys som når detektoren 6 Cfigur 1) modifisert på en måte som samsvarer med størrelsen av belastningen. En alternativ måte å bruke sensoren til å måle magnetisk felt, er å påtrykke en vek-selstrøm på en spole 8, som er viklet rundt en fremstik-kende del 9 av den magnetostriktive stripen 7. Dette eksi-terer en grunnfrekvens-komponent i signalet ved fotodetek-toren, som er et mål for det omgivende konstante magnetiske feltet der hvor sensoren befinner seg. Merk at siden magnetostriksjonen er en like funksjon av feltet, vil et konstant felt generere en grunnfrekvens-komponent. Veks- lende magnetiske felter med frekvensene fo kan også bli detektert som sidebånd til fo.

Figur 3 og 4 viser skjematisk en miniatyrisert sensor som utnytter prinsippene i den foreliggende oppfinnelsen. Dis-se figurene er høyst skjematiske. I dette arrangementet er kilden 10 og detektoren 11 montert på et substrat 12, med det fotoelastiske elementet 13 mellom dem. Polarisatorene og kvartbølgeplatene er skjematisk indikert ved 14 og 15, og det hele er innkapslet i et plastikkdeksel 16 eller en standard tykk film hybrid hermetisk pakke.

Som man kan se av figur 4, er det fotoelastiske elementet 13 i dette tilfellet en rektangulær blokk, med staver eller striper 18, 19 av magnetisk materiale på hver side av seg. Merk at i figur 4 er elementet 13 dreiet 90°

i forhold til på figur 3. En spole, 20, på en av stavene, 19 i dette tilfellet, fører en strøm som avhenger av den parameteren som skal overvåkes. På denne måten kan innretningen bli en strømsensor. Alternativt kan strømmen bli brukt til å forspenne sensoren som beskrevet tidligere, for å muliggjøre AC deteksjon av statiske magnetiske felter, og eliminere problemer med lavfre-kvent drift. Merk at en spole til kan bli montert på staven 18, med spolene passende orientert slik at deres effekt blir additive.

En slik innretning kan bli laget for å være følsom for meget små magnetiske felter i nærvær av jordens relativt store magnetiske felt. Figur 5 viser et arrangement som er lik det i figur 4, hvor stripene 18 og 19 av magnetostriktivt materiale er på hver sin side av det fotoelastiske materialet.

Claims (6)

1. En sensor som inneholder et element av et fotoelastisk materiale som kan bli utsatt for belastning for å føle en parameter som skal overvåkes, karakterisert ved en eller flere deler av magnetostriktivt materiale i samvirke med det fotoelastiske materialet, anretninger hvorved den magnetostriktive effekten av det magnetostriktive materialet blir påvirket av den parameteren som skal overvåkes, slik at den magnetostriktive effekten forårsaker dobbeltbrytning i det fotoelastiske materialet i et omfang som tilsvarer den parameteren som blir overvåket, anordninger for å rette en lysstråle gjennom elementet av fotoelastiske materiale , og anordninger for å detektere lysstrålen etter at den har passert gjennom det fotoelastiske materialet, det hele anordnet slik at lyset som blir mottatt av detektoren avhenger av omfanget av dobbeltbrytning, og således av den parameteren som skal overvåkes.

2. En sensor som inneholder et element av et fotoelastisk materiale som kan bli utsatt for belastning på grunn av et magnetisk felt, hvis verdi avhenger av en parameter som skal overvåkes, karakterisert ved en eller flere deler av magnetostriktivt materiale i samvirke med det fotoelastiske materialet, anordninger hvorved den magnetostriktive belastningen av det magnetostriktive materialet blir påvirket av det nevnte magnetiske felt, slik at den magnetostriktive effekten forårsaker dobbeltbrytning i det fotoelastiske materialet i et omfang som tilsvarer det magnetiske felt, og således den parameteren som blir overvåket, anordninger for å rette en lysstråle gjennom elementet av fotoelastisk materiale, og anordninger for å detektere lysstrålen etter at den har passert det fotoelastiske materialet, det hele arrangert slik at lyset som blir mottatt av detektoren avhenger av omfanget av dobbeltbrytning, og således av den parameteren som blir overvåket.

3. En sensor som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at det fotoelastiske elementet er en blokk av glass med to parallelle sideflater som er parallelle med lysstrålens retning, og som er innoverbøyde, og hvor det er to deler av magnetostriktivt materiale, hver i form av en stripe på en av de bøyde flatene av blokken.

4. En sensor som angitt i krav 3, karakterisert ved at minst en av de nevnte stripene av magnetostriktivt materiale har en forlengelse som er omfavn-et av en spole som fører en elektrisk strøm med en stør-relse proporsjonal med størrelsen av den parameteren som skal overvåkes, eller for å påtrykke et forspenningsfelt.

5. En sensor som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at det piezo-elastiske elementet er formet som et parallellpiped med to staver, stavlign-ende eller stripeformede elementer av magnetostriktivt materiale, som hver er festet til det ene av et par av sider av elementet som er parallell med lystrålens retning, og hvor en eller begge av de nevnte stavene eller stavelignende elementene har en spole hvorigjennom en strøm som tilsvarer den parameteren som skal overvåkes blir påtrykt.

6. En sensor som angitt i krav 1, 2, 3, 4 eller 5, karakterisert ved at sensormaterialet er et metallisk glass.